Основные схемотехнологические направления производства микропроцессоров

В настоящее время для производства интегральных схем используются следующие основные технологические базисы: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ); маломощная ТТЛШ (МТТЛШ); инжекционная интегральная логика (И²Л) и ее различные варианты (И³Л, ИШЛ и т. д.); р-канальная МОП-технология (р-МОП); n-канальная МОП (n-МОП); комплементарная МОП-технология (КМОП); варианты МОП-технологии (МНОП, ЛИЗМОП); эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).

Рассмотрим основные особенности распространенных технологий производства БИС. Для ТТЛ напряжение питания Uп=5В; стандартные входные уровни сигналов U0<=0.8В, U1>=2.0В, выходные U0<=0.4В; U1>=2.4В. По ТТЛ-технологии реализованы ИС серий К133, К134, К155. По сравнению с обычным ТТЛ, ТТЛШ-вентиль обеспечивает приблизительно вдвое меньшие задержки включения и выключения за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, а также несколько меньшую мощность потребления и обладает в 1.5-2 раза меньшей площадью. Напряжение питания и стандартные входные-выходные напряжения ТТЛШ-вентиля унифицированы с аналогичными параметрами обычного ТТЛ-вентиля. Вентили ТТЛ и ТТЛШ работоспособны в широком диапазоне температур, изменение мощности их потребления в зависимости от частоты незначительно. По ТТЛШ-технологии реализованы ИС и БИС серий К533, К555, К589, К585, К1802, К1804, а также некоторые БИС серий К583, К584. На основе маломощной ТТЛШ-технологии реализованы ИС серий К1533, К1555.

Диапазон размаха логического сигнала И²Л-вентиля лежит в пределах 0.2-0.8В, поэтому для сопряжения И²Л БИС с ТТЛ-схемами используются специальные входные и выходные каскады. Стандартные И²Л-вентили имеют широкий диапазон рабочих токов питания, при этом их быстродействие прямо пропорционально току инжекции. И²Л БИС работоспособны в диапазоне от 0.1 до 2 значений номинального тока питания, что обеспечивает их работу как в микромощном, так и в быстродействующем режиме. По сравнению с ТТЛШ И²Л-технология обеспечивает приблизительно в десять раз большую степень интеграции БИС при меньшем в 2-3 раза быстродействии. В настоящее время развиваются многочисленные разновидности И²Л-технологии, такие как изопланарная И²Л (И³Л) и инжекционная Шоттки (ИШЛ) логика. ИШЛ по сравнению с И²Л-вентилем обладает приблизительно в 1.5 раза большей площадью, но обеспечивает быстродействие, соизмеримое с ТТЛШ-схемами. Инжекционная логика работоспособна в широком диапазоне температур. Помехоустойчивость схем такая же, как и у ТТЛ-логики. На основе И²Л-технологии реализованы БИС серий К582, К583, К584, К1808, К1815. Перспективным является построение комбинированных кристаллов, когда внутренняя часть строится по инжекционной технологии, а внешняя, для удачного сопряжения с периферией и другими БИС, - по ТТЛ-технологии.

Для работы р-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=-(9-24)В и напряжение смещения подложки Uсп=-(3-12)В. Выходные напряжения при Uп=-24В обычно принимаются равными U0=-22В, U1=-2В; входные напряжения U0=-12B, U1=-4B. Вентили имеют небольшую площадь, но обладают малым быстродействием (время переключения более 0.1 мкс). Относительная дешевизна этих БИС объясняет их широкое применение в бытовых приборах. Для работы n-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=5В и напряжение смещения подложки U'сп=-5В, на основе которого в резистивном делителе, подключенном к Uп и к U'сп вырабатывается Uсп. Иногда внутреннее Uсп вырабатывается на основе напряжения питания и земли. Входные и выходные напряжения n-МОП обычно обеспечивают прямое сопряжение с ТТЛ-схемами.

Площадь у n-МОП вентиля в 5-7 раз меньше, чем у ТТЛ и быстродействие в 4-10 раз меньше, чем у ТТЛ-схем. По n-МОП-технологии разработаны комплекты БИС серий К145, К580, К581, К586, К1801, К1809, К1810, К1820.

В состав КМОП-инвертора входят два транзистора разного типа проводимости. Для работы вентилей нет необходимости использовать напряжение смещения подложки. В состоянии логических нуля и единицы вентиль практически не потребляет энергию. Стандартные входные U0<=0.8B, U1>=3.5B и выходные U0<=0.4B, U1>=4.5B. Следует отметить высокую помехоустойчивость КМОП. Амплитуда помехи может составлять до 40% от напряжения питания. Высокопороговая КМОП-логика обычно имеет Uп=9В и не сопрягается с ТТЛ. По высокопороговой технологии выполнена серия К587, по низкопороговой - К564, К561, К588, К1806.

Вентиль ЭСЛ обладает самым большим быстродействием, но занимает самую большую площадь и потребляет большую, чем у всех остальных, мощность. Высокое быстродействие достигается за счет ненасыщенных режимов работы транзисторов. Входные и выходные напряжения составляют U0>=-1.1B, U1<=-1.5B; U1<=-1.65B, U0>=-0.8B соответственно. Из этого следует, что ЭСЛ-вентили невозможно прямо использовать в составе ТТЛ-схем.